Wcześniej, w kwietniu 1936, rozpoczęto prace nad jeszcze czystszą aerodynamicznie wersją samolotu i dwusetny egzemplarz z pierwszej serii otrzymał oznaczenie Ki-10-I KAIOznaczenie „KAI” pochodzi od japońskiego słowa kaizō oznaczającego „zmianę”, „modyfikację”.. W tej wersji duża chłodnica samolotu została przeniesiona spod osłony silnika pomiędzy podwozie samolotu, samo podwozie miało poprawioną charakterystykę aerodynamiczną, a koła zostały przykryte dużymi owiewkami, zaprojektowano także znacznie „czystszą” osłonę silnika. W tej wersji samolot był o 40 km/h szybszy niż wcześniej, po konstrukcji prototypu Ki-10-I KAI zbudowano jeszcze dwa prototypy Ki-10-II KAI z takimi samymi zmianami i z silkiem Ha-9-IIb o mocy 950 KM co dało tym samolotom prędkość maksymalną 445 km/h. Pomimo że tak zmodyfikowane Ki-10-II KAI były prawie tak samo szybkie jak jednopłatowy Nakajima Ki-27, nie weszły one do produkcji seryjnej – było już wówczas oczywiste, że era samolotów dwupłatowych dobiegła końca.